以太無源光網(wǎng)絡(luò)中光網(wǎng)絡(luò)單元注冊的FPGA實現(xiàn)

殷愛菡，劉方仁

（華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌 330013）

以太無源光網(wǎng)絡(luò)EPON（ethernet passive optical network，EPON）是光接入網(wǎng)的重要解決方案之一[1]，為了實現(xiàn)EPON系統(tǒng)良好的可擴(kuò)展性和方便的操作維護(hù)管理，在系統(tǒng)開通運行后，新連接的或者掉電的光網(wǎng)絡(luò)單元ONU（optical network unit，ONU）需要能夠自動加入到系統(tǒng)中，而不影響其它正常工作的ONU。以往關(guān)于ONU注冊的研究，大部分集中在對ONU注冊算法的研究，如對ONU注冊窗口大小和周期的選擇[2]，以及對ONU注冊流程及其安全性研究[3]，很少涉及到ONU注冊的硬件實現(xiàn)。本文提出了一種基于FPGA的ONU注冊方案，且采用自頂向下的設(shè)計方法，通過硬件描述語言Verilog HDL編程實現(xiàn)，該方案具有占用硬件資源少、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和可移植性等優(yōu)點。

1 ONU注冊的過程及原理

ONU的注冊是指新連接的或斷線的ONU接入網(wǎng)絡(luò)，能夠被光線路終端OLT（optical line terminal，OLT）自動識別，這一過程由OLT來驅(qū)動。注冊過程中需要的控制幀有：傳送注冊授權(quán)和帶寬授權(quán)的GATE幀，傳送注冊請求的REGISTER_REQ幀，傳送注冊信息的REGISTER幀，傳送注冊確認(rèn)信息的REGISTER_ACK幀。具體的注冊過程及原理如下.

1）OLT周期性的向系統(tǒng)各個ONU廣播發(fā)送注冊授權(quán)GATE幀，讓新接入的或者斷線的ONU有機(jī)會被OLT識別。OLT發(fā)送注冊授權(quán)GATE幀后，啟動發(fā)現(xiàn)窗口定時器，若定時器超時未收到ONU的應(yīng)答，則關(guān)閉發(fā)現(xiàn)窗口，等待下一周期的到來[4]。

2）已注冊的ONU忽略注冊授權(quán)GATE幀，而未注冊的ONU接收到注冊授權(quán)GATE幀后，首先根據(jù)時間標(biāo)簽調(diào)整本地時鐘，然后在授權(quán)的時隙內(nèi)利用REGISTER_REQ幀發(fā)送注冊請求信息。若ONU在發(fā)送注冊請求后的指定時間內(nèi)未收到OLT發(fā)來的REGISTER幀，則認(rèn)為發(fā)生了注冊沖突。ONU進(jìn)行隨機(jī)延時后重新發(fā)送注冊請求，直至收到OLT發(fā)來的REGISTER幀[5]。

3）OLT在發(fā)現(xiàn)窗口內(nèi)收到一個有效地注冊請求消息后，首先給新發(fā)現(xiàn)的ONU分配邏輯鏈路標(biāo)識LLID（logical link identifier），并將LLID與該ONU的MAC地址綁定起來，同時利用REGISTER幀給該ONU發(fā)送注冊信息；然后OLT再給該ONU發(fā)送帶寬授權(quán)GATE幀以使其向OLT發(fā)送注冊確認(rèn)幀[6]。

4）未注冊的ONU收到REGISTER幀后，利用該消息中攜帶的新分配的LLID替換未注冊時的LLID，同時等待OLT發(fā)送帶寬授權(quán)GATE幀。收到授權(quán)后，ONU利用REGISTER_ACK幀向OLT發(fā)送注冊確認(rèn)信息，這樣就完成了整個注冊過程。具體的注冊過程如圖1所示。

2 ONU注冊的FPGA實現(xiàn)

根據(jù)ONU的注冊過程以及模塊化的FPGA設(shè)計思想，將ONU注冊作為一個模塊來實現(xiàn)，其總體設(shè)計框圖如圖2所示。為了更好地說明ONU注冊的FPGA實現(xiàn)過程，設(shè)計了一個由OLT和3個ONU組成的簡單注冊模塊。由設(shè)計框圖可知，注冊模塊包括：啟動注冊模塊、OLT端控制幀處理模塊、單播/廣播控制模塊和ONU端控制幀處理模塊等4個子模塊。

2.1 啟動注冊模塊設(shè)計

ONU注冊過程的第一步是OLT以廣播的方式周期發(fā)送注冊授權(quán)GATE幀，由于該幀是周期發(fā)送的，且該GATE幀的內(nèi)容是固定的，因此單獨設(shè)計一個模塊來周期發(fā)送注冊授權(quán)GATE幀。注冊授權(quán)GATE幀的長度為72個字節(jié)，故啟動注冊模塊的設(shè)計中將該GATE幀存儲在一個長度為18，位寬為32的數(shù)組中。clk_gate為發(fā)送注冊授權(quán)GATE幀的標(biāo)識信號，當(dāng)clk_gate產(chǎn)生一個高電平時，OLT就立即發(fā)送注冊授權(quán)GATE幀。

2.2 OLT端控制幀處理模塊設(shè)計

OLT端控制幀處理模塊的主要功能是發(fā)送REGISTER幀和帶寬授權(quán)GATE幀，處理ONU發(fā)來的REGISTER_REQ幀和REGISTER_ACK幀。控制幀的發(fā)送與接收可以利用FIFO來實現(xiàn)[7]。考慮到控制幀的長度為72字節(jié)，故FIFO的位寬設(shè)定為32，深度設(shè)定為18。OLT端控制幀處理模塊接收到ONU發(fā)來的控制幀后將其保存到64位的移位寄存器中，然后判斷移位寄存器的數(shù)值是不是幀前導(dǎo)碼。若不是幀前導(dǎo)碼，則繼續(xù)檢測；若是，則將計數(shù)器置0，并開始計數(shù)，直到計數(shù)器的值為8時，再進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測。此時檢測的是操作碼字段的值，根據(jù)操作碼字段的值來進(jìn)行幀識別，從而對不同的幀作出相應(yīng)的處理。操作碼0x0002代表GATE幀，0x0004代表REGISTER_REQ幀，0x0005代表REGISTER幀，0x0006代表REGISTER_ACK幀，其中0x表示十六進(jìn)制[8]。該模塊程序設(shè)計流程圖如圖3所示。

2.3 單播/廣播控制模塊設(shè)計

在ONU的注冊過程中，OLT控制幀的發(fā)送方式分為廣播發(fā)送與單播發(fā)送，注冊授權(quán)GATE幀和REG-ISTER幀為廣播發(fā)送，帶寬授權(quán)GATE幀為單播發(fā)送。當(dāng)控制幀進(jìn)入單播/廣播控制模塊時，檢測該幀的操作碼字段，從而識別該幀的類型，選擇相應(yīng)發(fā)送方式。單播/廣播控制模塊程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

2.4 ONU端控制幀處理模塊設(shè)計

ONU端控制幀處理模塊的主要功能是接收注冊授權(quán)GATE幀、帶寬授權(quán)GATE幀，發(fā)送REGISTER_REQ幀和REGISTER_ACK幀。ONU端控制幀處理模塊也采用FIFO來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的，將接收到的數(shù)據(jù)存儲到64位的移位寄存器中，檢測其操作碼字段的值，從而確定幀的類型。當(dāng)ONU連續(xù)收到REGISTER幀和帶寬授權(quán)GATE幀后，ONU向OLT發(fā)送一個REGISTER_ACK幀，報告注冊結(jié)果。ONU端控制幀處理模塊程序設(shè)計流程圖如圖5所示。

3 實現(xiàn)結(jié)果的驗證與分析

ONU注冊的FPGA實現(xiàn)和功能驗證是在Modelsim SE 6.5和QuartusⅡ7.1環(huán)境下完成的。驗證所采用的芯片是CycloneⅡ系列芯片EP2C8Q208C7。為了對ONU注冊過程進(jìn)行仿真，特設(shè)定如下參數(shù):OLT的MAC地址為0x201010011030，LLID為0x1fff；ONU1的MAC地址為0x201010011001，ONU2的MAC地址為0x201010011002，ONU3的MAC地址為0x201010011003；注冊成功后OLT分配給ONU1，ONU2，ONU3的LLID分別為0x1111，0x2222，0x3333。

ONU注冊的仿真過程如圖6所示，圖6（a）是OLT發(fā)送的注冊授權(quán)GATE幀，圖6（b）是OLT接收到ONU1發(fā)送的REGISTER_REQ幀，圖6（c）和圖6（d）分別是OLT向ONU1發(fā)送的REGISTER幀和帶寬授權(quán)GATE幀。ONU注冊成功的確認(rèn)結(jié)果如圖7所示，圖中的數(shù)據(jù)是OLT接收到ONU發(fā)送的REGISTER_ACK確認(rèn)幀。該幀的第1，2組數(shù)據(jù)是幀前導(dǎo)碼，第3，4，5組數(shù)據(jù)是目的地址和源地址，第6組數(shù)據(jù)是幀類型標(biāo)識和操作碼，第7組數(shù)據(jù)是時戳，第8組數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)域，其前2位數(shù)字表示注冊成功與否，若為0x01則表示注冊成功；中間4位數(shù)字表示注冊完成后OLT分配給某個ONU的LLID，后面2位數(shù)字則是對同步時間值作的回應(yīng)。

圖7（a）（b）（c）分別是OLT接收到ONU1，ONU2，ONU3發(fā)送的REGISTER_ACK幀。從圖7中的結(jié)果可以看出，圖7（a）中的第3組數(shù)據(jù)和第4組數(shù)據(jù)的前4位為0x201010011030，為OLT的MAC地址，表示該幀是發(fā)送給OLT的；第4組數(shù)據(jù)的后4位和第5組數(shù)據(jù)為0x201010011001，為ONU1的MAC地址，表示該幀是從ONU1發(fā)出的；第6組數(shù)據(jù)的前4位為0x8808，表示該幀的類型為控制幀，其后4位為0x0006，表示該幀為注冊確認(rèn)幀；第7組數(shù)據(jù)表示ONU1發(fā)送該確認(rèn)幀時的本地時間值；第8組數(shù)據(jù)的前2位數(shù)字為0x01，且中間4位數(shù)字為1111，這說明ONU1注冊成功，且分配的LLID與前面預(yù)期設(shè)定的分配值相同。同理，圖7（b）中的第8組數(shù)據(jù)的前6位數(shù)字為0x012222，圖7（c）中的第8組數(shù)據(jù)的前6位數(shù)字為0x013333。綜上所述，仿真結(jié)果驗證了該ONU注冊方案的有效性和可行性。

4 結(jié)束語

通過對ONU注冊的各個模塊的程序設(shè)計，在Altera的平臺上實現(xiàn)了FPGA硬件電路，成功實現(xiàn)了提出的ONU注冊方案，仿真結(jié)果與預(yù)期的理論值完全相符。該方案設(shè)計靈活，具有可移植性，能很容易地擴(kuò)展為16個或者32個ONU的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可廣泛地應(yīng)用于新一代無源光接入網(wǎng)中。

[1]SíLVIAPATO，HENRIQUE SILVA，PAULO MONTEIRO.Forward error correction in 10 Gbits/s Ethernet passive optical networks[J].Journal of Optical Networking，2009，8（1）：84-94

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